專利名稱：一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊監(jiān)測(cè)數(shù)字序列的兩級(jí)降噪方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的數(shù)字序列的降噪方法。這種小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用于大型航空結(jié)構(gòu)的機(jī)載實(shí)時(shí)的沖擊區(qū)域監(jiān)測(cè)和沖擊事件的記錄，屬航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。通過(guò)本發(fā)明的數(shù)字序列兩級(jí)降噪方法，可以在不需增加任何信號(hào)濾波、調(diào)理電路或其它降噪的硬件模塊的前提下，實(shí)現(xiàn)數(shù)字序列的降噪，從而在不增加系統(tǒng)體積和功耗的情況下，降低系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)沖擊的誤判和虛警。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料因其具有比強(qiáng)度高、比剛度大、抗疲勞性能好及材料性能可設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在軍用、民用飛機(jī)上已開(kāi)始越來(lái)越多地使用先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以達(dá)到減重的目的。然而，層合板復(fù)合材料在服役過(guò)程中不可避免的要承受各種沖 擊，極易造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷并導(dǎo)致其力學(xué)性能退化，承載能力降低，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體破壞和失效。因此對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行全壽命的監(jiān)測(cè)，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性是具有迫切的應(yīng)用需求的。被動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)在線的沖擊監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)獲取沖擊區(qū)域、位置等信息，然后再利用無(wú)損檢測(cè)對(duì)通過(guò)被動(dòng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)獲得的沖擊區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)，能夠大大縮短檢測(cè)時(shí)間，降低維護(hù)成本。但是針對(duì)大型航空結(jié)構(gòu)的沖擊監(jiān)測(cè)，以采用24路壓電傳感器監(jiān)測(cè)沖擊信號(hào)為例，按照傳統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集測(cè)試方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)信號(hào)采集，系統(tǒng)硬件采用商用的4通道高速模擬數(shù)據(jù)采集卡和4通道電荷放大調(diào)理器，那么完成24路沖擊信號(hào)監(jiān)測(cè)至少需要6張數(shù)據(jù)采集卡和6臺(tái)電荷調(diào)理器，外加集成此數(shù)量硬件所需的帶統(tǒng)一控制核心的處理器和機(jī)箱。大量應(yīng)用功能獨(dú)立、集成度不高的模塊直接導(dǎo)致測(cè)試環(huán)境復(fù)雜度和測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試難度的提高，以及系統(tǒng)體積和重量的龐大。然而，對(duì)于機(jī)載設(shè)備而言，要求該設(shè)備的添加不會(huì)給飛機(jī)造成過(guò)大的載重負(fù)擔(dān)，而且飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)所需監(jiān)測(cè)的面積很大，特別是像我國(guó)正處于研制階段的民用大型客機(jī)C919，支持24路壓電傳感器的被動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要大規(guī)模的壓電傳感器陣列才能夠滿足要求。但是這樣又進(jìn)一步增加了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體積和重量。同時(shí)，大規(guī)模傳感器陣列及飛機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的飛行產(chǎn)生的過(guò)多的冗余及無(wú)效的信息量也給系統(tǒng)存儲(chǔ)器容量提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。故現(xiàn)有被動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并不能夠滿足沖擊監(jiān)測(cè)機(jī)載設(shè)備的要求。針對(duì)上述問(wèn)題，最近，一種適用于機(jī)載的小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被提出并正在逐步得到應(yīng)用。該系統(tǒng)具備體積小、重量輕、低功耗、安裝和使用方便、監(jiān)測(cè)區(qū)域大(支持傳感器數(shù)量大)、能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)沖擊事件并能夠存儲(chǔ)有效沖擊信號(hào)和定位結(jié)果等多個(gè)特點(diǎn)。但是該系統(tǒng)為了滿足小型化和低功耗的要求，在硬件電路中沒(méi)有任何針對(duì)信號(hào)噪聲的濾波和調(diào)理模塊，外部傳感器陣列直接與系統(tǒng)內(nèi)的比較器陣列連接，系統(tǒng)的沖擊定位算法單純依靠對(duì)應(yīng)傳感器通道的數(shù)字序列的上升沿的先后順序。如果沖擊響應(yīng)信號(hào)中存在較大幅度的噪聲，那么這些噪聲也同樣會(huì)經(jīng)過(guò)比較器而產(chǎn)生數(shù)字序列，從而使得系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)沖擊的定位。如果在沒(méi)有沖擊的情況下，僅是幅度較大的噪聲同樣也會(huì)經(jīng)過(guò)比較器產(chǎn)生數(shù)字序列，從而產(chǎn)生虛警。飛機(jī)在飛行過(guò)程中的氣動(dòng)噪聲、結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲以及發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是不可避免的。所以需要發(fā)明一種針對(duì)該系統(tǒng)的數(shù)字序列的降噪方法，在不增加任何濾波、調(diào)理模塊，不增加新的降噪用的硬件模塊的情況下，提高系統(tǒng)沖擊監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，降低對(duì)沖擊的誤判和虛警。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是為小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供一種數(shù)字序列的兩 級(jí)降噪方法，在不增加任何針對(duì)沖擊響應(yīng)信號(hào)的濾波、調(diào)理模塊，不增加新的降噪用的硬件模塊的情況下，提高系統(tǒng)沖擊監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，降低對(duì)沖擊的誤判和虛警。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊監(jiān)測(cè)數(shù)字序列的兩級(jí)降噪方法，第一級(jí)噪聲抑制采用Haar離散小波變換，第二級(jí)噪聲抑制采用基于特征數(shù)字序列的降噪方法。第二級(jí)噪聲抑制過(guò)程為首先檢索到數(shù)字序列中的第一個(gè)上升沿，然后提取其后的《個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算為I的數(shù)字序列所占的比例，如果小于A則整個(gè)《個(gè)長(zhǎng)度的數(shù)字序列置
O,如果大于等于/P，則整個(gè)《長(zhǎng)度的數(shù)字序列置1，然后依次類推，直至整個(gè)數(shù)字序列檢索完畢。有益效果本發(fā)明的一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊監(jiān)測(cè)數(shù)字序列的兩級(jí)降噪方法使得小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在不增加任何濾波、調(diào)理模塊，不增加新的降噪用的硬件模塊的情況下，提高了沖擊監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，降低對(duì)沖擊的誤判和虛警。


圖I傳感器陣列的真實(shí)響應(yīng)信號(hào)瀑布 圖2小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的數(shù)字序列；
圖3數(shù)字序列兩級(jí)降噪方法實(shí)施流程；
圖4經(jīng)過(guò)數(shù)字序列兩級(jí)降噪方法降噪后的數(shù)字序列。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的降噪方法具體按照以下步驟
(I)數(shù)字序列獲取
小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取到數(shù)字序列。產(chǎn)生上述數(shù)字序列的原因有以下三種①由于沖擊使得傳感器輸出沖擊響應(yīng)信號(hào)，從而通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的比較器陣列獲得數(shù)字序列；②由于傳感器輸出的噪聲幅度較大，通過(guò)比較器陣列獲得數(shù)字序列，這種數(shù)字序列是單純由于噪聲產(chǎn)生的；③大幅度噪聲和沖擊響應(yīng)信號(hào)的混合信號(hào)使得比較器陣列輸出數(shù)字序列，這種數(shù)字序列是由沖擊響應(yīng)信號(hào)和噪聲共同引起的。
(2)基于Haar離散小波變換的數(shù)字序列第一級(jí)降噪
對(duì)數(shù)字序列進(jìn)行Haar離散小波變換，提取低頻小波系數(shù)也即是尺度分量，并進(jìn)行重采樣，將重采樣結(jié)果作為數(shù)字序列的第一級(jí)降噪結(jié)果。離散小波變換已經(jīng)在模擬信號(hào)的降噪中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。本發(fā)明將離散小波變換應(yīng)用于數(shù)字序列的降噪中。在眾多的離散小波變換母函數(shù)的種類中，Haar小波是一種具有0-1波形的小波變換母函數(shù)。這種小波母函數(shù)的波形正好與數(shù)字序列的0-1波形形式一致。所以本發(fā)明采用Haar離散小波變換，實(shí)現(xiàn)數(shù)字序列的第一級(jí)降噪。通過(guò)Haar離散小波變換，由于高頻噪聲產(chǎn)生的數(shù)字序列得到了初步的抑制。(3)基于特征數(shù)字序列的數(shù)字序列第二級(jí)降噪
對(duì)每一路數(shù)字序列進(jìn)行特征數(shù)字序列處理，并將處理結(jié)果作為數(shù)字序列的第二級(jí)降噪 結(jié)果。確定特征數(shù)字序列的判別標(biāo)準(zhǔn)是上升沿后持續(xù)一段長(zhǎng)度的數(shù)字序列中，為1(即高電平)的數(shù)字序列所占的比例大于R，把滿足上述特征的數(shù)字序列稱為特征數(shù)字序列。判別過(guò)程為首先檢索到數(shù)字序列中的第一個(gè)上升沿，然后提取其后的/7個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算為I的數(shù)字序列所占的比例，如果小于A則整個(gè)《個(gè)長(zhǎng)度的數(shù)字序列置0，如果大于等于/P，則整個(gè) 長(zhǎng)度的數(shù)字序列置1，然后依次類推，直至整個(gè)數(shù)字序列檢索完畢。通過(guò)特征數(shù)字序列處理，由于高頻噪聲產(chǎn)生的數(shù)字序列得到了進(jìn)一步抑制，由于低頻噪聲產(chǎn)生的數(shù)字序列得到了抑制。在特征數(shù)字序列的判別標(biāo)準(zhǔn)中，長(zhǎng)度是最重要的參數(shù)，其大小與沖擊響應(yīng)信號(hào)的主要能量成分的頻率范圍有關(guān)。》的確定方法如下不同的沖擊物體產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)信號(hào)的頻率帶寬有所不同，但常見(jiàn)的沖擊事件，如飛行過(guò)程中的鳥(niǎo)撞、起飛和降落過(guò)程中的機(jī)場(chǎng)碎石撞擊以及地面維護(hù)時(shí)維護(hù)人員不小心產(chǎn)生的工具掉落的撞擊等，產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)信號(hào)的頻帶范圍集中在IOHz至50kHz的范圍內(nèi)，其中2kHz至5kHz的頻率范圍內(nèi)的沖擊響應(yīng)信號(hào)能量較大。而這個(gè)頻帶范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的信號(hào)的半周期時(shí)間長(zhǎng)度為O. 25ms至O. Ims0如果小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取到數(shù)字序列的采樣率為IMHz/bit，則對(duì)應(yīng)的數(shù)字序列長(zhǎng)度范圍為250至100。飛機(jī)的氣動(dòng)噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲等的頻率范圍一般小于1kHz。對(duì)于一些高頻的空間電磁干擾其頻率一般大于100kHz。所以m的取值范圍設(shè)置為100到250之間可以有效抑制低頻和高頻噪聲。在特征數(shù)字序列的判別標(biāo)準(zhǔn)中，比例的參數(shù)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，R設(shè)置為90%比較合適。以一種小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)連接外部8個(gè)壓電傳感器組成的沖擊監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，在飛行過(guò)程中，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時(shí)，8個(gè)壓電傳感器實(shí)際輸出的響應(yīng)信號(hào)如圖I所示。響應(yīng)信號(hào)中包含了沖擊響應(yīng)信號(hào)，高頻白噪聲以及氣動(dòng)噪聲。沖擊發(fā)生在由1、2和8號(hào)壓電傳感器圍成的區(qū)域內(nèi)。8個(gè)響應(yīng)信號(hào)通過(guò)小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的比較器陣列以后得到的對(duì)應(yīng)的數(shù)字序列如圖2所示。從圖中可以看出，無(wú)法通過(guò)比較各個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)數(shù)字序列的第一個(gè)上升沿來(lái)判別沖擊發(fā)生的區(qū)域，無(wú)法實(shí)現(xiàn)沖擊的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。采用基于離散小波變換和特征數(shù)字序列的數(shù)字序列兩級(jí)降噪方法對(duì)數(shù)字序列進(jìn)行降噪，方法實(shí)施流程如圖3所示。
首先，采用Haar-5離散小波變換，對(duì)數(shù)字序列進(jìn)行五層分解，提取出第五層的小波系數(shù)尺度分量，再對(duì)其重采樣得到第一級(jí)降噪結(jié)果。然后，對(duì)每一路數(shù)字序列進(jìn)行特征數(shù)字序列處理。在本實(shí)施方式中，確定特征數(shù)字序列的判別標(biāo)準(zhǔn)是上升沿后持續(xù)一段長(zhǎng)度《=200的數(shù)字序列中，為I (即高電平)的數(shù)字序列所占的比例大于於90%，把滿足上述特征的數(shù)字序列作為特征數(shù)字序列。判別過(guò)程為首先檢索到數(shù)字序列中的第一個(gè)上升沿，然后提取其后的《個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算為I的數(shù)字序列所占的比例,如果小于則整個(gè)》個(gè)長(zhǎng)度的數(shù)字序列置0，如果大于等于7 二90%，則整個(gè)》長(zhǎng)度的數(shù)字序列置I。然后依次類推，直至整個(gè)數(shù)字序列檢索完畢。采用基于離散小波變換和特征數(shù)字序列的數(shù)字序列降噪方法對(duì)數(shù)字序列進(jìn)行降噪的結(jié)果如圖4所示。通過(guò)圖4可以清晰判別1、2和8號(hào)傳感器對(duì)應(yīng)的降噪后的數(shù)字序列的第一個(gè)上升沿是最先出現(xiàn)的三個(gè)上升沿，所以可以判別沖擊發(fā)生在1、2和8號(hào)傳感器圍 成的沖擊監(jiān)測(cè)區(qū)域中。該結(jié)果與飛機(jī)落地以后的無(wú)損檢測(cè)結(jié)果相吻合。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊監(jiān)測(cè)數(shù)字序列的兩級(jí)降噪方法，其特征在于，第一級(jí)噪聲抑制采用Haar離散小波變換，第二級(jí)噪聲抑制采用基于特征數(shù)字序列的降噪方法。
2.如權(quán)利要求I所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊監(jiān)測(cè)數(shù)字序列的兩級(jí)降噪方法，其特征在于，第二級(jí)噪聲抑制過(guò)程為首先檢索到數(shù)字序列中的第一個(gè)上升沿，然后提取其后的《個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算為I的數(shù)字序列所占的比例，如果小于A則整個(gè)《個(gè)長(zhǎng)度的數(shù)字序列置O，如果大于等于&則整個(gè) 長(zhǎng)度的數(shù)字序列置1，然后依次類推，直至整個(gè)數(shù)字序列檢索完畢。
3.如權(quán)利要求2所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊監(jiān)測(cè)數(shù)字序列的兩級(jí)降噪方法，其特征在于，》的取值范圍為100到250，7 為90%。
全文摘要
本發(fā)明為小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供一種沖擊監(jiān)測(cè)數(shù)字序列的兩級(jí)降噪方法。在小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取到數(shù)字序列后，采用本方法進(jìn)行數(shù)字序列的兩級(jí)噪聲抑制。第一級(jí)噪聲抑制采用Haar離散小波變換。第二級(jí)噪聲抑制采用基于特征數(shù)字序列的降噪方法。確定特征數(shù)字序列的判別標(biāo)準(zhǔn)是上升沿后持續(xù)一段長(zhǎng)度m的數(shù)字序列中，為1(即高電平)的數(shù)字序列所占的比例大于R?；诒痉椒?，能夠在不增加任何濾波、調(diào)理模塊，不增加新的降噪用的硬件模塊的情況下，提高小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的沖擊監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，降低對(duì)沖擊的誤判和虛警。
文檔編號(hào)G01D3/032GK102889896SQ20121035598
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者邱雷, 袁慎芳, 錢偉峰, 梅寒飛 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)